(57)【要約】【課題】内部の水分を除去可能な圧力制御弁を備えた燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１と、燃料電池に空気を供給する空気供給手段３と、燃料電池に水素を供給する水素供給手段５と、燃料電池から排出された空気の圧力を制御する圧力制御手段８とを備えた燃料電池システムにおいて、前記圧力制御手段８は、前記燃料電池から排出された排空気が流れる排空気流路１９と、前記排空気通路を、弁軸１４ａを中心に回転して、開閉する弁体１４と、前記排空気流路と交差して形成されると共に、前記弁軸が挿通される軸孔２１と、前記軸孔と弁軸との間に介装したシール部材２２と、前記シール部材よりも前記弁体側において、前記軸孔と交差して形成されて前記空気供給手段からの空気が導かれる空気流路１８と、を備える。【選択図】    図２
2005019147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
燃料電池に空気を圧送する空気供給手段と、
燃料電池に水素を供給する水素供給手段と、
燃料電池から排出された空気の圧力を制御する圧力制御手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記圧力制御手段は、
前記燃料電池から排出された排空気が流れる排空気流路と、
前記排空気通路を、弁軸を中心に回転して、開閉する弁体と、
前記排空気流路と交差して形成されると共に、前記弁軸が挿通される軸孔と、
前記軸孔と弁軸との間に介装したシール部材と、
前記シール部材よりも前記弁体側において、前記軸孔と交差して形成されて前記空気供給手段からの空気が導かれる空気流路と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記空気流路内の圧力は、前記排空気流路内の圧力より高いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記弁体端部に前記弁体を回転する駆動手段または前記弁体の開度を検出する開度検出手段を設置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記弁本体に形成された空気流路から外部に空気を排出する排出流路と、
この排出流路を開閉する開閉手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記弁本体に形成された空気流路から外部に空気を排出する排出流路と、
この排出流路にオリフィスを設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記開閉手段は、燃料電池システム運転時に前記排出流路を閉状態としつつ、所定間隔で一時的に開状態に切り換えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記開閉手段は、燃料電池システムの起動時または停止時に開状態とすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記開閉手段は、開状態と閉状態とを複数回繰り返すことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記開閉手段を開状態とするとともに、前記弁体を複数回開閉することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記空気流路を上下方向に形成し、前記空気供給手段からの空気を上方から供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記空気流路を上下方向に形成し、前記空気供給手段からの空気を上方から供給し、下方から前記開閉手段を通じて排出することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気と水素とを基に発電する燃料電池システムに関し、特に燃料電池の空気側入口圧力を制御する圧力制御弁を備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムの空気側入口圧力を制御する従来の方法として、燃料電池から排出された排出空気の流路で、燃料電池の下流側に圧力制御弁が配置され、該圧力制御弁により空気が供給されるカソード側圧力を制御する技術がある（特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−７５４１８号公報
【０００４】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来例においては、燃料電池から排出された排出空気は水分を含む湿潤空気であるため、該圧力制御弁には、空気とともに水分が流通する。従って、この水分が圧力制御弁内部に侵入する恐れがあり、その場合、水分に弱いセンサや駆動系部品等補機の性能が劣化するという課題が生じる。
【０００５】
本発明は、上記課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、燃料電池の空気側出口圧力を制御する圧力制御弁補機の耐水性を高め、信頼性を向上した燃料電池システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧力制御手段が、排空気流路と、排空気通路を、弁軸を中心に回転して、開閉する弁体と、排空気流路と交差して形成されると共に、弁軸が挿通される軸孔と、軸孔と弁軸との間に介装したシール部材と、シール部材よりも弁体側において、軸孔と交差して形成されて空気供給手段からの空気が導かれる空気流路とを備えることを特徴とする。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、排空気流路に流入する水分を含有する排空気が、弁体の回転軸と弁本体との間の隙間を通じて、例えば回転軸に連結された補機に接触することを空気流路内に流入する高圧の空気により防止することができ、補機が水に晒されることが無く、防水性を高めて、信頼性を向上することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を適用する燃料電池システムの構成の一例を示す構成図である。発電手段としての燃料電池スタック１のカソードに供給される空気は、フィルタ２を通過してダスト等を除去され、空気供給手段としてのコンプレッサ３により圧送される。コンプレッサ３から送られる空気は、アフタークーラ４により所定温度に冷却される。
【０００９】
一方、燃料電池スタック１のアノ−ドに供給される燃料ガスとしての水素は、水素供給手段としての高圧タンク５から供給され、圧力レギュレータ６で圧力を一定に制御され、また流量制御弁７で所定の流量（圧力）に制御される。
【００１０】
燃料電池スタック１のカソードから排出された排空気は、下流に設置された排空気の圧力を制御する圧力制御弁（圧力制御手段）８に供給され、またこの圧力制御弁８には、さらにコンプレッサ３からの空気が圧送される。なお、この圧力制御弁８の構成については、詳しくは後述する。
【００１１】
カソードから排出された排空気は圧力制御弁８を通過して燃焼器９に送られ、またアノードから排出された排水素も燃焼器９に送られる。排水素と排空気は燃焼器９で燃焼され、外部に排出される。なお、アノードから排出された排水素中の不純物の排出を制御するシャットオフバルブ１０が、その流路途中に設置される。
【００１２】
圧力制御弁８に送られたコンプレッサ３からの空気は、圧力制御弁８を通過した後に排出（パージ）されるが、その排出は、パージ配管途中に設置されたパージバルブ１１、１２により制御される。なお、パージバルブ１１、１２は燃料電池システム起動時や通常運転時には閉じられており、圧力制御弁８内の水分放出時等の所定の条件時に開放される。
【００１３】
この燃料電池システムを統合するコントロールユニット１３が設置され、このコントロールユニット１３が、コンプレッサ３、流量制御弁７、圧力制御弁８、シャットオフバルブ１０、パージバルブ１１、１２を制御する。
【００１４】
次に図２を用いて、圧力制御弁８の構成について説明する。
【００１５】
圧力制御弁８は、バタフライ弁（弁体）１４を内装するボディ１５と、圧力制御弁８の補機としてバタフライ弁１４の開度を検出する開度センサ（開度検出手段）１６およびバタフライ弁１４を回転する駆動モータ（駆動手段）１７と備える。バタフライ弁１４の開度はコントロールユニット１３に出力され、コントロールユニット１３は駆動モータ１７を介してバタフライ弁１４の開度を制御する。
【００１６】
ボディ１５に内装されたバタフライ弁１４の回転軸（弁軸）１４ａの両端にそれぞれ前述の開度センサ１６と駆動モータ１７とが同軸に接続される。またこの回転軸１４ａの中心軸に対して軸直方向に交差する３本の流路１８、１９、２０がボディ１５を貫通して形成される。この流路のうち、カソードからの排空気が流入する中央の流路（排空気流路）１９にバタフライ弁１４が設置される。回転軸１４ａの中心軸に同軸に形成される貫通孔（軸孔）２１は、ボディ１５を貫通しており、この貫通孔２１にバタフライ弁１７の回転軸１７ａが設置される。
【００１７】
ボディ１５を貫通する流路のうち開度センサ１６側または駆動モータ１７側の流路（空気流路）１８、２０には、コンプレッサ３から圧送された空気が、配管２４と配管２４から分岐した配管２４ａを通じて供給される。
【００１８】
なお、コンプレッサ３とアフタークーラ４との間から分岐する配管２４への空気の流量は燃料電池スタック１に供給される空気の流量に応じて設定され、この流量はコントロールユニット１３により制御される。
【００１９】
流路１９は下流に設置された燃焼器９に排空気を供給し、一方、流路１８と流路２０は、それぞれにパージ弁１１、１２が設置された配管２７、２８に接続される。
【００２０】
駆動モータ１７がコントロールユニット１３の指示に応じて、バタフライ弁１４の開度を制御することにより、カソードからの排空気の圧力を制御できる。つまり、図のようにバタフライ弁１４を開いた状態では、排空気の多くは流路１９から排出されて下流の燃焼器９に供給されるが、一部が弁１４の回転軸１４ａとボディ１５との隙間を通じて回転センサ１６側と駆動モータ１７側に流れ込む。また、バタフライ弁１４が閉じた状態では、燃焼器９への排空気の流れが阻まれるため、弁１４の回転軸１４ａとボディ１５との隙間に排空気が流れ込み、流路１８と流路２０を越えて回転センサ１６と駆動モータ１７に接触する。
【００２１】
このように、燃料電池スタック１のカソードから排出された排空気が、回転センサ１６や駆動モータ１７に接触することにより、排空気に含まれる水分が回転センサ１６や駆動モータ１７の内部に浸入し、故障を生じる原因となる恐れがある。
【００２２】
しかしながら、本発明では、バタフライ弁１４が設置された排空気が流入する流路１９と、回転センサ１６および駆動モータ１７とのそれぞれの間にコンプレッサ３からの空気が圧送される流路１８と流路２０を設置する。そして、パージバルブ１１、１２を閉じることで流路１８と流路２０を流通する空気の圧力は、流路１９を流れるカソードからの排空気の圧力より、コンプレッサ３を制御して高く制御される。
【００２３】
したがって本発明では、水分を含んだカソードからの排空気が流路１９、２１を通じて回転センサ１６や駆動モータ１７側に流入する状態でも、流路１８、２０を流れる高圧の空気により、排空気の流れが遮断され、排空気中の水分が回転センサ１６や駆動モータ１７に浸入することが防止できる。
【００２４】
また、排空気が流路１８、２０の空気の流れによっても遮断されずに、一部の排空気が回転センサ１６側や駆動モータ１７側に流れ込んだ場合には、貫通孔２１の両端部に設置されたシール２２、２３により、ボディ１５と回転軸１４ａとの隙間からガス中の水分等が開度センサ１６や駆動モータ１７に漏洩することを防止する。
【００２５】
さらにコンプレッサ３から圧送される高圧、高温の空気が、圧力制御弁８内に導入される。このため、燃料電池システムの冷間時からの起動時に、凍結凝固した、例えばバタフライ弁１４の回転軸１４ａが高温の空気により急速に解凍されるため、冷間時からの起動性を向上することができる。
【００２６】
また、流路１８、２０を上下方向に形成することにより、重力の作用により水分の外部への放出を促進することができる。
【００２７】
また、圧力制御弁５から空気を外部に排出する配管２７、２８の途中にパージバルブ１１、１２を設置したので、パージバルブを閉じておくことで、例えば、燃料電池システムを搭載した車両が水没しても、水が圧力制御弁８に浸入することを防止できる。
【００２８】
次に本発明においてコントロールユニット１３が行う制御について説明する。これまでの実施形態では、少なくともカソードから排空気が排出されている場合には、コントロールユニット１３の制御により、カソードからの排空気の圧力より高い高圧の空気をコンプレッサ３から流路１８、２０に流通させることで、排空気中の水分が回転センサ１６等に浸入しないようにしたが、以下、圧力制御弁８内の水分を外部に放出する他の制御方法について説明する。
【００２９】
図３は、コントロールユニット１３が一定時間毎に圧力制御弁８内の流路中に滞留した水分を排出する制御を説明するフローチャートである。なお、コンプレッサ３からの空気は、圧力制御弁８に常に供給されている（以下に説明する他の制御でも同様である。）。
【００３０】
まずステップ１で、前回パージバルブ１１、１２が閉じてからの経過時間Ｔｔを計測し、ステップ２で経過時間Ｔが所定の経過時間Ｔｔ以上かどうかを判定する。所定の経過時間Ｔｔ以上であれば、ステップ３に進み、パージバルブ１１、１２を第１所定時間Ｔ１だけ開放し、コンプレッサ３から供給される空気とともに流路内の水分を外部に放出する。経過時間Ｔｔに達していなければステップ１に戻り経過時間Ｔｔの計測を繰り返す。また所定の経過時間Ｔｔは、予め実験等により設定され、例えば１〜３０分に設定される。第１の所定時間Ｔ１は予め実験等により設定され、具体的には０．５〜３０秒である。
【００３１】
このように、所定時間毎に流路１８、１９、２０内の水分を外部に放出することにより、回転センサ１６と駆動モータ１７へ水分が浸入することを確実に防止できる。
【００３２】
図４は、燃料電池システム停止時に圧力制御弁８内に貯留した水分を外部に放出する制御を説明するフローチャートである。
【００３３】
まずステップ１１でシステムが停止を要求された状態かどうかを判定する。例えば、運転者がシステムの電源スイッチをオフにしたことで判定する。運転停止が要求された場合にはステップ１２でパージバルブ１１、１２を第２の所定時間Ｔ２の間、開放し、供給された空気とともに圧力制御弁８中の水分を外部に放出する。第２の所定時間Ｔ２は予め実験等により設定され、具体的には０．５〜３０秒である。
【００３４】
このように燃料電池システム停止時に、回転センサ１６と駆動モータ１７に浸入しうる水分を外部に排出しておくことにより、システム停止中に水分が回転センサ１６等に浸入して腐食等が進み、故障の原因となることを防止できる。
【００３５】
図５は、パージバルブを繰り返し開閉することで圧力制御弁８中の水分を外部に排出する制御を説明するフローチャートである。
【００３６】
まずステップ２１で、前回パージバルブ１１、１２が閉じてからの経過時間Ｔを計測し、ステップ２２で経過時間Ｔが所定の経過時間Ｔｔ以上かどうかを判定する。所定の経過時間Ｔｔ以上経過している場合にはステップ２３に進み、達していない場合にはステップ２４に進む。ステップ２４では燃料電池システムが停止要求状態かどうかを判定する。停止要求状態にある時にはステップ２３に進み、それ以外ではステップ２１に戻り、制御を繰り返す。
【００３７】
ステップ２３では、パージバルブ１１、１２を所定回数、開閉する。このときの１回当りの開時間は第３の所定時間Ｔ３とし、閉時間は第４の所定時間Ｔ４とする。第３および第４の所定時間は、予め実験等により設定され、具体的には０．５〜３０秒である。
【００３８】
このように、パージバルブ１１、１２を繰り返し開閉することにより、流路１８、２０内の圧力を流路１９内の圧力より低くでき、圧力制御弁８内の水分を効率よく外部に排出することができる。
【００３９】
図６は、バタフライ弁１４を開閉させることにより、排空気が供給される流路１９と高圧の空気が供給される流路１８および流路２０との間に脈動を生じさせて圧力制御弁８内の水分を外部に排出する制御を説明するフローチャートである。
【００４０】
まずステップ３１で、前回パージバルブ１１、１２が閉じてからの経過時間Ｔを計測し、ステップ３２で経過時間Ｔが所定の経過時間Ｔｔ以上かどうかを判定する。所定の経過時間Ｔｔ以上経過している場合にはステップ３３に進み、達していない場合にはステップ３４に進む。ステップ３４では燃料電池システムが停止要求状態かどうかを判定する。停止要求状態にある時にはステップ３３に進み、それ以外ではステップ３１に戻り、制御を繰り返す。
【００４１】
ステップ３３では、パージバルブ１１、１２を第５の所定時間Ｔ５の間、開放する。続くステップ３４で、バタフライ弁１４を所定回数、開閉する。このときの１回当りの開時間は第６の所定時間Ｔ６とし、閉時間は第７の所定時間Ｔ７とする。第５、第６および第７の所定時間は、予め実験等により設定され、具体的には０．５〜１２０秒である。
【００４２】
このようにパージバルブ１１、１２を開き、バタフライ弁１４を開閉させることにより、流路１８、２０と流路１９との間の脈動により、圧力制御弁８中の水分を流路１８、２０から外部に排出することができる。
【００４３】
図７は、第２の実施形態の構成を示す図であり、図１の第１の実施形態の構成に対してパージバルブ１１、１２に変えてオリフィス２９、３０を設けた構成である。
【００４４】
このような構成とすることで、コンプレッサ３からの空気が導入される流路１８、２０内の圧力を高い圧力に維持し、かつ水分をオリフィス２９、３０から外部に排出することができる。
【００４５】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成図である。
【図２】圧力制御弁の詳細を説明する図である。
【図３】圧力制御弁の制御内容を説明するフローチャートである。
【図４】他の圧力制御弁の制御内容を説明するフローチャートである。
【図５】他の圧力制御弁の制御内容を説明するフローチャートである。
【図６】他の圧力制御弁の制御内容を説明するフローチャートである。
【図７】第２の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  フィルタ
３  コンプレッサ
４  アフタークーラ
５  高圧タンク
６  圧力レギュレータ
７  流量制御弁
８  圧力制御弁
９  燃焼器
１１、１２  パージバルブ
１３  コントロールユニット
１４  バタフライ弁
１５  ボディ
１６  回転センサ
１７  駆動モータ
１８、２０  空気流路
１９  排空気流路
２１  貫通孔
２２、２３  シール
２９、３０  オリフィス
【図１】
2005019147.tif 000003
【図２】
2005019147.tif 000004
【図３】
2005019147.tif 000005
【図４】
2005019147.tif 000006
【図５】
2005019147.tif 000007
【図６】
2005019147.tif 000008
【図７】
2005019147.tif 000009